JPH0745585A

JPH0745585A - ドライエッチング方法

Info

Publication number: JPH0745585A
Application number: JP18784393A
Authority: JP
Inventors: Kosei Kumihashi; 孝生組橋; Naoyuki Koto; 直行小藤; Kazunori Tsujimoto; 和典辻本; Shinichi Taji; 新一田地
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-07-29
Filing date: 1993-07-29
Publication date: 1995-02-14

Abstract

(57)【要約】【構成】エッチング中に、イオンの入射角度分布が３度
以上のステップと、３度未満のステップとを組み合わせ
る。【効果】エッチャントとなる中性粒子を効率よく底面ま
で輸送できるので、深溝や深孔をエッチングする時に、
エッチング形状の曲がりやマイクロローディング効果を
抑えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はドライエッチング方法に
係り、特に、深溝加工や深孔加工のような高アスペクト
エッチングに好適なドライエッチング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ドライエッチング技術は半導体集積回路
（以下、ＬＳＩ）の微細加工法として用いられる。ＬＳ
Ｉの微細化に伴って、０.１μｍレベルの高精度加工が
ドライエッチング技術に必要となっている。このような
加工のためには、プラズマ中からのイオン入射の方向性
が重要であり、１ｍTorr以下の低圧力放電が有効であ
る。その理由は、イオン−ガス散乱が抑えられるからで
ある。

【０００３】そこで、例えば、特公昭52−126174号公報
のようなマイクロ波プラズマエッチング装置（ＥＣＲエ
ッチングともいう）等の高効率放電を行えるような装置
が開発されてきた。これらの装置では、例えば、ソリッ
ド・ステート・デバイシズ・アンド・マテリアルズ（So
lid State Devices and Materials)１９９０年ｐ.２０
７記載のＥＣＲエッチングのように、Ｃｌ₂０.５ｍTorr
(ガス流量２０sccm)でpoly−Ｓｉをエッチングしてい
る。低圧力で高速エッチングする方法として、例えば、
１９９２年シンポジウム・オン・ブイエルエスアイ・テ
クノロジー（Symposium on VLSI Technology）ｐ.４６
では高速排気により０.５ｍTorrで１μｍ／min 以上の
エッチング速度を得ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】低圧力下で高効率放電
を行うと、プラズマの電離度が高くなる。このようなプ
ラズマで深孔や深溝のエッチングをすると、ある深さか
らエッチング形状が曲がるという問題があった。

【０００５】エッチング形状が曲がる原因を、図２を用
いてＳｉエッチングを例にして説明する。エッチング反
応は、図２(ａ)に示すように、中性粒子３がＳｉ２の表
面に吸着し、そこにイオン４が入射してエネルギを与え
ることにより反応が進む。イオン４の入射方向が垂直な
ために、エッチング形状も垂直になる。

【０００６】中性粒子３は等方的に入射する。そのため
にエッチングパターンが深くなると、図２(ｂ)のように
中性粒子３は壁面と何回も衝突しなければ底面に到達で
きない。そのために、Ｓｉ２表面での中性粒子３の濃度
は、深いところほど小さくなる。

【０００７】中性粒子の表面濃度が小さくなると、イオ
ンが入射してもエッチング反応が進みにくくなる。その
ために深い部分にイオンが入射しても、反射するだけで
エッチング反応が起きなくなり、図２(ｃ)に示すよう
に、エッチング形状がある深さから曲がってしまう。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明では、深孔や深溝をエッチングする方法と
して、入射イオンの角度分布が３度以上のステップと、
３度未満のステップを含むようにした。また、エッチン
グ中にガス圧力を周期的に変化させるようにした。ま
た、エッチング中にガス圧力を連続的に変化させるよう
にした。また、試料温度を室温以下に冷却し、ガス圧力
が５ｍTorr以上のステップと、５ｍTorr以下のステップ
とを繰り返すようにした。また、エッチングパターン上
部と底面との間に、温度差を生じさせるようにした。ま
た、試料中に深さ方向の分布を持って不純物を混ぜ、こ
の不純物を外場により励起しながらエッチングするよう
にした。

【０００９】

【作用】深孔や深溝のエッチングでも、パターン入り口
付近では中性粒子の表面濃度は高い。この中性粒子をパ
ターン底部に輸送できれば、この課題は解決できる。

【００１０】本発明では、入射イオンの角度分布が３度
以上のステップと、３度未満のステップとを組み合わせ
た。本発明の効果を、Ｓｉエッチングを例に、図１を用
いて説明する。中性粒子の表面濃度は、図１(ａ)のよう
に、入り口付近で高い。入射イオンの角度分布が３度以
上のステップでは、図１(ｂ)のように、パターン入り口
付近の壁面にイオンが入射する。その結果、パターン入
り口付近の中性粒子は、イオンとの衝突によりパターン
底部に輸送される。

【００１１】次に、入射イオンの角度分布が３度未満の
ステップにすれば、底面における中性粒子の表面濃度が
十分なので入射イオンはエッチング反応を起こし、図１
(ｃ)のように、形状が曲がることなく深孔や深溝底面で
のエッチングができる。

【００１２】イオンの入射角度分布は、放電時のガス圧
力により制御できる。圧力が高ければイオンとガス粒子
との衝突頻度が高くなり、入射角度分布が広がる。圧力
を低くすれば、衝突が少なくなるので、入射角度分布は
小さくなる。すなわち、エッチング中の圧力を周期的に
変化させれば、中性粒子の輸送と底面のエッチングを繰
返し行うことができる。

【００１３】エッチング中に圧力を連続的に変化させれ
ば、入射角度分布も連続的に変化する。高い圧力から徐
々に圧力を下げて行けば、入射角度分布も徐々に小さく
なる。高い圧力では入射角度分布が大きいので、イオン
はパターン入り口付近に衝突する。その結果、パターン
入り口付近にあった中性粒子は脱離するが、すべてが底
面まで輸送されるのではなく、パターン中央付近に留ま
る場合もある。この時に圧力を徐々に変化させていけ
ば、イオンの入射角度分布も徐々に小さくなり、パター
ン中央付近に入射するようになる。そうすれば、パター
ン中央付近に吸着した中性粒子は、底面まで輸送され
る。さらに圧力を下げれば、イオンの入射角度分布が小
さくなり底面まで到達し、底面でのエッチング反応が進
む。

【００１４】圧力５ｍTorrでは、イオンの入射角度分布
は３度程度になる。よってこの圧力を境としてガス圧力
を高くしたり低くしたりすれば、上記の作用を実現でき
る。この時に試料温度を室温以下に冷却すれば、パター
ン入り口付近の吸着が促進されて、より多くの中性粒子
が入り口付近にたまるので、イオン入射によりより多く
の中性粒子を底面に輸送できる。冷却により入り口付近
の中性粒子の層が厚くなれば、側壁保護膜としても作用
する。

【００１５】パターン上部と底面との間に温度差を持た
せることによっても、中性粒子を効率よく底面に輸送す
ることができる。パターン上部の温度を高くすれば、温
度勾配により底面へ中性粒子を輸送できるので、深孔や
深溝のエッチング形状が曲がらないようにすることがで
きる。

【００１６】あらかじめ試料に、深さ方向に分布を持っ
て不純物を混ぜ、その不純物を外場によって励起すれ
ば、不純物の多い部分では温度が高くなり、少ない部分
では温度は低くなる。その結果、パターン上部と底面と
の間に温度差を生じさせることにより、中性粒子を効率
よく底面に輸送して、深孔や深溝のエッチング形状が曲
がらないようにすることができる。

【００１７】本発明によれば、底面における中性粒子の
濃度が小さくならないので、深孔や深溝でのエッチング
においてもエッチング形状が曲がらなくなる。

【００１８】また、アスペクト比によらず底面に中性粒
子が十分に供給されるので、マイクロローディングを低
減する作用もある。

【００１９】

【実施例】

（実施例１）以下、塩素ガスプラズマを用いたＳｉ深溝
エッチングについて、本発明の一実施例を説明する。

【００２０】図１は、本発明の一実施例を示すプロセス
図である。ＳｉＯ₂１は深溝エッチングのためのマスク
材であり、パターン幅は０.１μｍである。このマスク
材を用いて、Ｓｉ２に深さ１μｍの深溝をエッチングす
る。

【００２１】深溝エッチングをするには、入射イオンの
角度分布を３度未満にする必要がある。そのために、エ
ッチング反応を起こす時のガス圧力は、０.５ｍTorr と
低くした。この時の入射イオンの角度分布を計測したと
ころ、分布は２度であった。

【００２２】このような低圧力で放電をさせるために、
マイクロ波放電を用いた。マイクロ波パワーは１ｋＷと
した。反応生成物の影響を抑えて高速エッチングをする
ために、高速排気によりガス流量を１００sccm流した。
このような大ガス流を流せるように、装置の排気速度は
５０００liter／ｓとした。効率よくエッチング反応を
起こすために、試料に２ＭＨｚのＲＦバイアスを１０Ｗ
印加した。中性粒子の吸着を促進するために、試料を−
５０℃に冷却した。この時のＳｉエッチング速度は１μ
ｍ／min であった。

【００２３】０.１μｍの深さまでのエッチングは、上
記の条件でエッチングした。そこまでの所用時間は０.
１minである。アスペクト比１を越えるあたりの深さか
らは、上記の条件のみでエッチングを行うと、エッチン
グパターンが曲がるという問題が生じる。

【００２４】そこでまず図１(ａ)に示すように、パター
ン入り口付近に中性粒子３を吸着させるために、圧力５
０ｍTorrで放電を行った。圧力は、コンダクタンスバル
ブにより排気速度を調整することにより制御した。この
圧力では電離度が低いために、イオンの入射が少なくな
る。そのため、中性粒子３はパターン入り口付近に吸着
はするが、イオンによるエネルギ供給が少ないのでエッ
チングは起こらない。エッチング反応を抑えるために、
ＲＦバイアスは印加しなかった。この条件での放電時間
は０.５ｓとした。

【００２５】次に圧力を１０ｍTorrにした。この時の様
子を示すのが、図１(ｂ)である。この圧力ではイオンの
電離度は５０ｍTorr時よりも１０倍程度高くなる。イオ
ン４の入射角度分布は５度であった。この放電時もエッ
チング反応を抑えるために、ＲＦバイアスは印加しなか
った。この放電時にはイオン４はパターン上部の側壁に
衝突して、その部分に吸着していた中性粒子３を底面に
輸送する。この条件での放電時間は０.５ｓとした。

【００２６】次に圧力を０.５ｍTorr にした。この時の
様子を示すのが、図１(ｃ)である。この時にＲＦバイア
スを１０Ｗ印加することにより、十分なエネルギを持っ
たイオンが、角度分散１度で入射する。底面での中性粒
子３の濃度は十分にあるので、このプロセス中のエッチ
ング速度は１μｍ／min であり、かつパターンの曲がり
も生じない。この時のイオン電流密度は約１ｍＡ／cm²
であるから、およそ１ｓ間で、ほぼＳｉ１原子層分のイ
オンが入射する。そこでこの条件での放電時間は１ｓと
した。

【００２７】この三プロセスを繰り返すことにより、深
溝エッチングを行った。中性粒子を底面に輸送するため
のステップ（図１(ａ)，(ｂ)）が１ｓ、エッチングステ
ップ（図１(ｃ)）が１ｓであるから、トータルのエッチ
ング速度は０.５μｍ／minと、十分実用的な速度を得る
ことができた。また底面での中性粒子の濃度を十分高く
したままでエッチングできたので、パターンの曲がりも
生じないで、アスペクト比１０の深溝エッチングができ
た。

【００２８】（実施例２）実施例１では階段上に圧力を
制御した。そうすることにより、プラズマ状態やイオン
の量、方向を精度よく制御できる。しかし圧力は階段上
でなく、連続的に変化させてもよい。本実施例ではコン
ダクタンスバルブを制御して、圧力５０ｍTorrから１０
ｍTorrまで０.５秒間で変化させた後、１０ｍTorrから
０.５ｍTorrまで０.５秒間で変化させ、その後、０.５
ｍTorrで１秒間エッチングした。

【００２９】本実施例では、中性粒子の吸着量やイオン
の量・方向を高精度には制御できない。しかし実施例１
と同様の、実用上は問題のないエッチング特性を得るこ
とができた。またコンダクタンスバルブの開閉速度を抑
えられるので、より安価なコンダクタンスバルブを使用
して装置を構成できる。

【００３０】（実施例３）本発明の他の実施例を説明す
る。本実施例では、ＳｉＯ₂にコンタクトホールを形成
するエッチングについて説明する。

【００３１】図３は、本実施例で用いた試料の断面図で
ある。Ｓｉ２の上部にＳｉＯ₂１を形成し、レジスト５
を用いてマスクを作成する。ＳｉＯ₂１の形成時もしく
は形成後に、不純物を深さ方向に分布を持って混ぜた。
本実施例では不純物としてＨ₂Ｏ６を使用した。混合の
方法は、Ｈ₂Ｏイオンビームから高速中性粒子線を形成
し、それをＳｉＯ₂１に照射した。Ｈ₂Ｏ６の含まれる割
合を変えたＳｉＯ₂層を何層か重ねる方法によっても、
このような試料を形成できる。

【００３２】この試料をＣＨＦ₃ガスのマイクロ波放電
によりエッチングした。ガス圧力は５ｍTorrとし、マイ
クロ波パワー１ｋＷ，２ＭＨｚのＲＦバイアスを５０Ｗ
印加した。試料は−１００℃に冷却した。

【００３３】この時に、外部磁場を調整して、投入マイ
クロ波がプラズマ中ですべて吸収されず、２０Ｗ程度が
試料まで伝わるようにした。マイクロ波の周波数は２.
４５ＧＨｚを用いたので、試料に伝わったマイクロ波は
不純物のＨ₂Ｏ６を加熱する。Ｈ₂Ｏ６は上部の方が濃
度が高いので、エッチング中はパターンの上部の方が底
面よりも温度が高くなる。その結果、パターン入り口付
近ではカーボン系のエッチャントが堆積するのを抑え、
かつカーボン系のエッチャントを効率よく底面に輸送す
ることができる。そのために、０.１μｍ径で深さ１μ
ｍという深いコンタクトホールを、エッチング速度１μ
ｍ／min と高いエッチング速度でエッチングすることが
できた。またエッチャントの輸送が効率よく行えるため
に、マイクロローディング効果を起こさずにエッチング
することができた。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、深溝や深孔のエッチン
グ加工において、底面へ中性粒子を効率よく輸送できる
ために、アスペクト比の高い深溝や深孔を、高速に、パ
ターンの曲がりを抑え、かつマイクロローディングを抑
えてエッチングすることができる。

【００３５】また、マイクロ波放電を用いたエッチング
だけでなく、低圧力から高圧力まで放電できる方式、例
えば、マグネトロン型エッチング装置やヘリコン型エッ
チング装置でも、同様の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すプロセスの工程図。

【図２】従来技術の問題点を示した工程図。

【図３】本発明の一実施例を示すエッチング試料の断面
図。

【符号の説明】

１…ＳｉＯ₂、２…Ｓｉ、３…中性粒子、４…イオン、
５…レジスト、６…Ｈ₂Ｏ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田地新一東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理室内にガスを流し、前記ガスをプラズ
マ状態とし、前記プラズマから入射するイオンのエネル
ギを用いて、前記処理室内に設置した試料をエッチング
するドライエッチング方法において、イオンの入射角度
分布が３度以上のステップと、３度未満のステップを含
むことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】処理室内にガスを流し、前記ガスをプラズ
マ状態とし、前記プラズマから入射するイオンのエネル
ギを用いて、前記処理室内に設置した試料をエッチング
するドライエッチング方法において、前記ガスの圧力を
周期的に変化させることを特徴とするドライエッチング
方法。
【請求項３】処理室内にガスを流し、前記ガスをプラズ
マ状態とし、前記プラズマから入射するイオンのエネル
ギを用いて、前記処理室内に設置した試料をエッチング
するドライエッチング方法において、前記ガスの圧力を
連続的に変化させることを特徴とするドライエッチング
方法。
【請求項４】処理室内にガスを流し、前記ガスをプラズ
マ状態とし、前記プラズマから入射するイオンのエネル
ギを用いて、前記処理室内に設置した試料をエッチング
するドライエッチング方法において、前記試料の温度を
室温以下に冷却し、前記ガスの圧力が５ｍTorr以上のス
テップと、５ｍTorr以下のステップとを繰り返すことを
特徴とするドライエッチング方法。
【請求項５】処理室内にガスを流し、前記ガスをプラズ
マ状態とし、前記プラズマから入射するイオンのエネル
ギを用いて、前記処理室内に設置した試料をエッチング
するドライエッチング方法において、エッチングパター
ンの上部と底面との間に温度差を生じさせることを特徴
とするドライエッチング方法。
【請求項６】処理室内にガスを流し、前記ガスをプラズ
マ状態とし、前記プラズマから入射するイオンのエネル
ギを用いて、前記処理室内に設置した試料をエッチング
するドライエッチング方法において、前記試料中に深さ
方向の分布を持って不純物を混ぜ、前記不純物を外場に
より励起しながらエッチングすることを特徴とするドラ
イエッチング方法。